Soojustehnika teoreetilised alused - MSJ0310 2.loeng Vanemteadur Alar Konist Soojustehnika instituut Hoone U06, kabinet 136 Ehitajate tee 5, Tallinn, 19086 +372 620 3907 alar.konist@ttu.ee http://staff.ttu.ee/~akonist/sti/Oppetoo.html

1.2. Termodünaamiline keha MEENUTAME, MIS ON TERMODÜNAAMIKA ÜLESANNE: • TERMODÜNAAMIKA ON TEADUS ENERGIATE VASTASTIKUSTEST SEOSTEST JA MUUNDUMISTEST TERMODÜNAAMILISE KEHA MÕISTE: • TERMODÜNAAMILISES SÜSTEEMIS ASUVAT KEHA VÕI KEHI, MILLE VAHENDUSEL TOIMUB ENERGIATE VASTASTIKUNE MUUNDUMINE, NIMETATAKSE TERMODÜNAAMILISEKS KEHAKS SELGITUSED: Tehnilise termodünaamika seisukohalt on termodünaamiliseks kehaks keha, mille kaudu toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks või töö muundamine soojuseks. Termodünaamilisteks kehadeks võivad olla nii tahked, vedelad kui ka gaasilised kehad. Termodünaamiliseks kehaks soojuse muundumisel mehaaniliseks tööks sobib hästi gaas (või aur), kuna ta võib paisumisel ja komprimeerimisel mitmekordselt muuta oma mahtu

• Soojusjõumasinates (sisepõlemismootorites, gaasiturbiinseadmetes, reaktiivmootorites jt.) soojuse muundumisel mehaaniliseks tööks on termodünaamiliseks kehaks tavaliselt kütuse põlemisgaasid. Põlemisgaaside peamisteks komponentideks on lämmastik, süsinikdioksiid, veeaur ja hapnik. • Masinat, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks (üldisemal juhul ka mingiks teiseks töö liigiks), nimetatakse soojusjõumasinaks. Selleks et muundada soojust tööks on vaja minimaalselt kahte erineva temperatuuriga keha. Sellises süsteemis olevat kõrgema temperatuuriga keha (T1) nimetame soojusallikaks ning madalama temperatuuriga keha (T2) jahutajaks.

NÄITED TÖÖTAVATES KEHADEST SOOJUSJÕUMASINATES: • AURUJÕUSEADE TERMODÜNAAMILINE KEHA MUUDAB OMA FAASI

• SISEPÕLEMISMOOTOR TÖÖTAVAKS KEHAKS ON KÜTUSE PÕLEMISGAASID

• TURBIIN

• GAASITURBIINIL PÕHINEV ELEKTRI JA SOOJUSE KOOSTOOMINE

Termodünaamilised (keha) parameetrid • Termodünaamiliste parameetrite all mõistetakse füüsikalisi makrosuurusi, mis määravad kindlaks termodünaamilise keha oleku.

Termodünaamilisi parameetreid on kahte liiki - intensiivsed parameetrid • Intensiivseteks nimetatakse neid mis ei sõltu valitud süsteemi suurusest või massist. Kui võtame teatavast ruumist 10 m3 või ainult l ml õhku, ja kui õhk ruumis oli hästi segatud, siis nende erinevate koguste omadused on samad, sealhulgas jällegi temperatuur, rõhk ja ka tihedus ekstensiivsed parameetrid • Kui aga võrrelda nende kahe erinevalt määratud süsteemi massi, siis erinevus nende vahel on suur. Mass ja maht on süsteemi ekstensiivsed parameetrid. • Kui ekstensiivsed parameetrid läbi jagada süsteemi massiga muutuvad nad intensiivparameetriteks, mida tähistatakse sageli eesliitega "eri-". Näiteks, kui valitud süsteemi maht jagada samas süsteemis oleva massiga, saame erimahu ,mille ühik on m3/kg See on ilmselt intensiivne parameeter, nimelt tiheduse pöördväärtus.

• Parameetreid, mille kadu iseloomustatakse soojuse ja töö vastastikust muundumist, nimetatakse termilisteks olekuparameetriteks. Termodünaamilise keha termilisteks olekuparameetriteks on erimaht (tihedus), rõhk ja temperatuur. • Soojuslikeks olekuparameetriteks on aga suurused, mis iseloomustavad süsteemi energeetilist olukorda. Nendeks on meie aine jaoks oluline entalpia, entroopia

• Sisemised parameetrid (antud välisparameetritel) iseloomustavad termodünaamilist süsteemi, s. o. siseparameetritega on määratud osakeste liikumine ja asend termodünaamilises süsteemis. Siseparameetriteks on tihedus, rõhk, energia jt. • Välispararameetrid iseloomustavad väliskeskkonda ja tema seost termodünaamilise süsteemiga. Välisparameetriteks on süsteemi maht, süsteemile mõjuva jõuvälja tugevus jt. Termodünaamilise keha tasakaaluline olek on välisjõudude puudumisel üheselt määratud kahe meelevaldse olekuparameetriga. Keha olekuparameetreid, millest sõltuvana vaadeldakse termodünaamilise süsteemi omadusi, nimetatakse sõltumatuteks parameetriteks

Termilised olekuparameetrid: • TEMPERATUUR: Temperatuur iseloomustab antud keha kuumenemise astet mingi teise keha suhtes ja määrab nendevahelise soojusvoo suuna (alati kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale). Kui erinevate termodünaamiliste kehade temperatuurid on võrdsed, on tegemist termilise tasakaaluga. (TERMILISE TASAKAALU POSTULAAT)

TEMPERATUURI MÄÄRAMINE EHK MÕÕTMINE. TEMPERATUURI SKAALAD TEMPERATUURI MÄÄRAMINE EHK MÕÕTMINE? TEMPERATUURI SKAALAD? On kolm erinevat temperatuuri skaalat, mida on laialdasel kasutusel leida, kelvini skaala (K), celsiuse skaala (°C) ja fahrenheidi skaala (°F). Nende kõrval on veel rankine'i skaala (°R). Peamiselt kasutatud termodünaamikas on kelvini skaala. Kelvini skaala, nimetatud inglise füüsika Lord Kelvini (1824-1907) auks. Kelvin, kelle nimi oli tegelikult William Thomson, pakus välja 1850 aastakümnendiku jooksul esimene ametlik teise termodünaamika seaduse avalduse. Hiljem, saksa füüsik Max Planck täpsustas selle seaduse avaldust, mille tõttu on see teise seaduse versioon nüüd tuntud kui Kelvin-Planck'i teise seaduse avaldus (nende kõrval seisab veel saksa füüsiku Rudolf Clausius'e avaldus) .

Kelvini temperatuuri skaalas on kõige külmem võimalik temperatuur 0 K, ehk "absoluutne null". Tegelikult ei ole 0 K saavutav, aga väga selle lähedale on jõutud (umbes 10-9 on juba kätte saadud). Peamine kelvini skaalat määrav süsteem vesi kolmikpunktis, millele on pandud temperatuur 273,16 K. Samal ajal tuleb selle süsteemi temperatuur celsiuse skaalas 0,01 °C. Kuna celsiuse ja kelvini temperatuuri skaalade kraadid on valitud olema sama suurusega, on tänapäeval siis nende skaalade vahel järgmine suhe: T (K) = t (°C) + 273,15

William Rankine (1820-1872) oli šoti füüsik kelle tööpiirkond oli nii aurumootorid kui molekulaarne füüsika. Tema auks on nimetatud teine absoluut temperatuuri skaala, mille kraad on suuruselt sama kui fahrenheidi kraad: T (°R) = t (°F) + 459,67 Viimasest on leitav, et kelvini ja rankine'i kraadide suhe on järgmine: T(°R)=1,8 T (K) Tulenevalt eelmistes on celciuse ja fahrenheid skaalde vaheline seos: t (°F) = 1,8 t (°C) + 32

RÕHK: Rõhuks nimetatakse teatava pinnaühikule normaali suunas mõjuvat jõudu. See jõud pärineb gaasimolekulide ehk vedelikumolekulide seintega põrkumistest Kui on jutt ainult tahketest materjalidest, siis tavalisem on rääkida "pingest" kui rõhust, aga siiski tuleb arvestada välisrõhuga sisemiste pingete analüüsis

Kuna rõhk on määratud pinna kohta, siis tuleb ette vahest küsimus, et kas siis eksisteerib rõhk kui ei ole pinda? Tuginedes jälle sellele, et molekulide liikumisest teame, hoolimata missugust pinda me võibolla vedeliku paneksime, toimuksid sellega kokkupõrkeid ja sellega oleks mingisuguse jõu mõju selle pinnal mõõta. See tähendab, et protsessid millest pärineb rõhk toimuvad kas me seda mõõdame või mitte. Rõhk mängib ka olulist osa tasakaalu määramises. Teame hästi, et kui teataval objektil jõud ühel küljel on kõrgem kui teisel, hakkab see objekt liikuma kui ei ole mingi teine jõud vastaseisus. Vedeliku mehaanikas tähendab see, et kui rõhk ühevedeliku osas on kõrgem kui teises, hakkab vedelik madalama rõhu suunas liikuma. Sellise liikumise puhul, ei ole liikuv süsteemi osa mehaanilises tasakaalus.

Rõhku võib mõõta absoluutse vaakumi nullnivoo suhtes, mis puhul on see absoluutne rõhk. Sagedasti on aga kasulik mõõta rõhku võttes nullnivooks atmosfääri rõhu. Sellega on siis määratud manomeetriline rõhk või ülerõhk. Juhul kui on mõõdetud rõhk madalam kui atmosfääriline (nt. vaakumkambris), see on siis tihti nimetatud alarõhk Ametlikult Sl ühikusüsteemis ei ole lubatud ülerõhku või alarõhku kasutada - ainult absoluutsed rõhud on lubatud On ka kasulik siin tähelepanu juhtida erinevustele USA ja Euroopas tavapäraste baromeetriliste rõhu valikute kohta. On USA kirjanduses l atm raudselt võetud kui 14,7 psia (naela ruuttolli kohta). See on standard atmosfääri rõhk, mis Sl ühikutes on vastavalt 101,325 kPa. Euroopas on aga tihti leida käsutusel "l ata", mille tähendus on sagedasti 1 kg/cm2. See on umbes 3% madalam kui tavaline merepinna atmosfääriline rõhk. Niivõrd väikene vahe ei ole tihti suure tähtsusega, aga täpsemas töös tuleb selgelt määrata kuidas on võetud B väärtus.

ERIMAHT: Erimahu all mõistame keha massiühiku mahtu ERIMAHT: Erimahu all mõistame keha massiühiku mahtu. Tähistades keha mahu V (m3) ja massi M(kg), siis erimaht: dimensiooniks m3/kg Erimahu pöördväärtus on tihedus ρ (kg/m3).

1.3 Termodünaamiline tasakaal • Termodünaamiline süsteem on termodünaamilises tasakaalus, kui süsteemi mistahes punktis olekuparameetrid ei muutu ajas. Käsitletaval juhul on süsteem termodünaamilise tasakaalu olukorras siis, kui kogu süsteemi piires on vastavad olekuparameetrid võrdsed. Rõhkude võrdsus määrab mehaanilise tasakaalu, temperatuuride võrdsus aga termilise tasakaalu. Tasakaalu olekus jäävad ajaliselt muutumatuks süsteemi kui tervikut iseloomustavad makroskoopilised parameetrid. Süsteemi mikroskoopilised parameetrid aga ei püsi muutumatutena. Kõrvalekaldumisi tasakaalu olekule vastavatest keskmistest suurustest nimetatakse fluktuatsiooniks Fluktuatsiooni ulatus sõltub termodünaamilises süsteemis olevate osakeste (aatomite, molekulide) arvust, vähenedes viimase suurenemisel Kuna termodünaamilme süsteem sisaldab osakesi vaga suurel hulgal, siis termodünaamikas fluktuatsiooni nähetega ei arvestata. Siit järeldub, et termodünaamiline tasakaal on ühtlasi ka dünaamiline tasakaal.

Termodünaamilises tasakaalus oleva süsteemi tasakaalust väljamineku võimatust välismõjutuste puudumisel tuntakse termodünaamilise süsteemi tagastamatuse printsiibina. Viimase võib defineerida ka järgmiselt: isoleeritud termodünaamiline süsteem läheb alati iseenesest üle termodünaamilise tasakaalu seisundisse. Termodündamilise süsteemi üleminek ühest tasakaalu olekust teise ei toimu momentaanselt, vaid selleks kulub alati teatud aeg (ka eeldusel, et väliskeskkonna parameetrid ei muutu). Kirjeldatud ülemineku nähtust nimetatakse relaksatsiooniks ning ühest tasakaalu olekust teise tasakaalu olekusse ülemineku aega relaksatsiooni ajaks.

Tänan tähelepanu eest!